空心板梁鉸縫受力性能節(jié)段模型試驗(yàn)研究

邱志雄，劉 利，張 勇

(1.廣東潮惠高速公路有限公司，廣東廣州 510100;2.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081)

裝配式空心板梁由于其建筑高度低、自重輕、施工方便、可大批量工廠化集中預(yù)制，在公路中小跨徑橋梁中被廣泛應(yīng)用。空心板梁間鉸縫構(gòu)造及整體化層厚度，是決定多片式空心板梁相互協(xié)同工作的重要構(gòu)造因素，而鉸縫構(gòu)造的優(yōu)劣取決于其傳遞荷載的能力。目前國內(nèi)多條高速公路上空心板梁橋存在因鉸縫失效，導(dǎo)致橋面鋪裝層沿鉸縫處縱向開裂等病害;鉸縫受力機(jī)理研究及其構(gòu)造優(yōu)化，已成為設(shè)計(jì)人員日益關(guān)注的技術(shù)難題。

廣東省高速公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化課題組在廣泛調(diào)研國內(nèi)外空心板梁鉸縫構(gòu)造的基礎(chǔ)上，對增設(shè)端橫梁和加大整體化層厚度進(jìn)行了對比分析，最終確定的構(gòu)造設(shè)計(jì)為深鉸縫+15 cm整體化層，同時(shí)將腹板箍筋伸出預(yù)制梁頂面，與整體化層鋼筋網(wǎng)連接，加強(qiáng)預(yù)制梁與整體化層的整體性，確保各片空心板梁協(xié)同工作。由于此類構(gòu)造在空心板結(jié)構(gòu)中尚屬首次采用，設(shè)計(jì)人員對上述構(gòu)造下鉸縫的受力性能難以準(zhǔn)確把握，且設(shè)計(jì)單位、咨詢單位及與會專家對整體化層厚度取值存在不同意見。鑒于此，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化研究課題組決定對采用上述構(gòu)造的空心板梁鉸縫開展模型試驗(yàn)研究，通過試驗(yàn)測試分析鉸縫的受力性能。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 模型設(shè)計(jì)

為了測試空心板梁間鉸縫的受力性能，試驗(yàn)在局部足尺模型上開展測試工作。模型橫橋向由三片空心板梁及兩道鉸縫組成，空心板梁根據(jù)跨中截面實(shí)際尺寸制作，試驗(yàn)?zāi)Ｐ晚槝蛳蜷L度取100 cm，梁高85 cm，寬124 cm，頂?shù)装搴窬鶠?2 cm，鉸縫構(gòu)造及鋼筋設(shè)置均與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一致。

為了模擬現(xiàn)狀空心板梁橋存在的鉸縫失效病害，同時(shí)研究不同整體化層厚度對鉸縫受力性能的影響，試驗(yàn)時(shí)將模型分為兩類進(jìn)行制作。

第一類:梁間鉸縫按設(shè)計(jì)要求施工，鉸縫處梁體腹板進(jìn)行鑿毛處理，模擬鉸縫混凝土與預(yù)制梁混凝土黏結(jié)正常時(shí)鉸縫的受力性能。此類模型整體化層厚度分4種情況考慮，即無整體化層、厚10，12和15 cm整體化層。

第二類:梁間鉸縫施工時(shí)采用塑膠薄膜隔絕鉸縫混凝土與預(yù)制梁混凝土之間的黏結(jié)，模擬鉸縫施工質(zhì)量不良時(shí)鉸縫的受力性能。此類模型整體化層厚度分3種情況考慮，即10，12和15 cm整體化層。

根據(jù)模型鉸縫黏結(jié)形式及整體化層的不同厚度，分別將試驗(yàn)?zāi)Ｐ途幪?表1)，兩類模型梁共制作了7個(gè)，第二類模型梁構(gòu)造見圖1。

表1 空心板鉸縫模型編號

圖1 第二類模型結(jié)構(gòu)示意(單位:mm)

1.2 模型制作

模型的澆筑順序按照實(shí)橋施工順序進(jìn)行。模型制作施工流程為:①鋼筋綁扎;②布置鋼筋應(yīng)變測點(diǎn);③單個(gè)空心板梁澆筑，蒸汽養(yǎng)護(hù)16 h;④ 拼裝三塊空心板梁，按照兩類不同模型的要求澆筑鉸縫及整體化層;⑤蒸汽養(yǎng)護(hù)16 h后，拆模并進(jìn)行鉸縫防護(hù)、模型存放。空心板模型制成型見圖2。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯庥^

2 測點(diǎn)布置及試驗(yàn)加載

2.1 測點(diǎn)布置

2.1.1 應(yīng)變測試

1)在模型制作過程中，每個(gè)鉸縫處選擇2根下緣橫向水平搭接鋼筋，預(yù)貼8個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，1根交叉鋼筋預(yù)貼3個(gè)應(yīng)變測點(diǎn)，每個(gè)鉸縫共11個(gè)鋼筋應(yīng)變測點(diǎn)。

2)整體化層混凝土沿截面高度應(yīng)變的測試，在每個(gè)模型2個(gè)鉸縫處頂端整體化層的兩側(cè)沿截面高度布置4～6個(gè)混凝土應(yīng)變測點(diǎn)(共16～24個(gè)測點(diǎn))，測試整體化層在試驗(yàn)過程中受力情況。測點(diǎn)布置見圖3。

2.1.2 變形測試

1)測試模型兩側(cè)空心板梁的轉(zhuǎn)角，每個(gè)模型頂面每條鉸縫處布置2個(gè)豎向位移測點(diǎn)(共4個(gè)測點(diǎn))，測試兩側(cè)空心板梁在豎向荷載作用下?lián)隙却笮?，換算成兩側(cè)空心板梁間鉸縫轉(zhuǎn)角隨荷載關(guān)系，推算鉸縫開裂荷載。測點(diǎn)布置見圖4。

2)空心板梁鉸縫沿截面高度橫向變形的測試，在每個(gè)梁單側(cè)每條鉸縫處沿截面高度布置3個(gè)橫向變形測點(diǎn)(共6個(gè)測點(diǎn))，測試鉸縫開裂狀況，測點(diǎn)布置見圖5。

圖3 整體化層應(yīng)變測點(diǎn)布置示意(單位:mm)

圖4 兩側(cè)空心板梁豎向撓度測點(diǎn)布置俯視(單位:mm)

圖5 模型鉸縫裂縫測點(diǎn)布置(單位:mm)

2.2 試驗(yàn)加載

本次模型試驗(yàn)采用500 kN脈沖疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，試驗(yàn)機(jī)精度為Ⅰ級。試驗(yàn)時(shí)采用550 mm×300 mm×100 mm板式橡膠支座在外側(cè)梁體底板中央提供豎向彈性支撐，利用橡膠支座的剪切及轉(zhuǎn)動(dòng)能力，模擬多片式空心板梁在正常使用過程中相鄰梁體的約束;在中間空心板梁頂板中心通過試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)器分級施加豎向荷載，直至空心板梁間鉸縫混凝土或者整體化層混凝土破壞為止，加載狀況見圖6。

為了較準(zhǔn)確記錄模型鉸縫的開裂荷載及破壞形態(tài)，采用逐級遞加的方式，從0開始加載，以20 kN為一級，加載至模型鉸縫或者整體化層破壞為止，最終得出每個(gè)模型的極限承載能力。

圖6 模型加載試驗(yàn)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 梁體轉(zhuǎn)角

1)第一類模型

在較小荷載作用下，鉸縫轉(zhuǎn)角與荷載呈較好的線性相關(guān)，鉸縫混凝土與梁體腹板混凝土黏結(jié)未破壞;隨著試驗(yàn)荷載不斷加大，鉸縫混凝土與梁體腹板混凝土出現(xiàn)脫開，鉸縫連接力變?yōu)閮H靠鉸縫底端橫向水平鋼筋承受，模型整體剛度降低，推算該類模型鉸縫開裂荷載見表2，HJUF-1及HJUF-4(整體化層厚度分別為15，0 cm)模型鉸縫轉(zhuǎn)角與荷載關(guān)系分別見圖7、圖8。

表2 第一類模型鉸縫開裂荷載

圖7 HJUF-1模型鉸縫轉(zhuǎn)角與荷載關(guān)系

2)第二類模型

圖8 HJUF-4模型鉸縫轉(zhuǎn)角與荷載關(guān)系

與第一類模型相比，第二類模型傳遞彎矩能力偏小，分別為43%，54%，31%，在第一類模型鉸縫開裂以后，兩類模型鉸縫均僅靠鉸縫下緣鋼筋約束，鉸縫轉(zhuǎn)角隨荷載增大速率近乎一致，梁間鉸縫傳遞彎矩能力相當(dāng)。兩類模型(HJUF-2，HJF-2)鉸縫轉(zhuǎn)角隨荷載變化關(guān)系如圖9所示。

圖9 HJUF-2模型與HJF-2模型鉸縫轉(zhuǎn)角對比

3)小結(jié)

從鉸縫轉(zhuǎn)角測試結(jié)果可知，對于鉸縫混凝土鑿毛有黏結(jié)的第一類模型，整體化層越厚，鉸縫抗裂彎矩越大;在正常使用荷載作用下，15 cm厚整體化層空心板梁鉸縫應(yīng)不會開裂，而12 cm及10 cm厚整體化層空心板梁鉸縫將出現(xiàn)開裂。鉸縫開裂前傳遞彎矩的能力介于剛接和鉸接之間，鉸縫處鑿毛黏結(jié)模型開裂前傳遞彎矩能力明顯優(yōu)于鉸縫處無黏結(jié)模型，鉸縫開裂后與無黏接的第二類模型相近，接近于鉸接模式，兩類模型傳遞彎矩能力相當(dāng)。無整體化層模型抗裂彎矩遠(yuǎn)小于理論計(jì)算正常使用荷載值。

3.2 鉸縫下緣變形

第一類模型開裂前鉸縫處于全截面受力狀態(tài)，鉸縫處混凝土換算應(yīng)變與荷載呈線性變化。隨著試驗(yàn)荷載增大，鉸縫下緣混凝土開裂，裂縫擴(kuò)展速率加快;第二類模型鉸縫由于混凝土間黏結(jié)力失效，梁間鉸縫加載之初已開裂，裂縫寬度隨荷載增加不斷增大。兩類模型(HJUF-2，HJF-2)鉸縫下緣變形隨荷載變化關(guān)系如圖10所示。從圖可以看出，第二類模型鉸縫下緣變形明顯大于第一類模型。

圖10 兩類模型鉸縫下緣變形對比

3.3 鉸縫鋼筋應(yīng)力

對于第一類模型，在鉸縫混凝土開裂前，鉸縫內(nèi)水平筋應(yīng)力水平很低，當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到開裂荷載時(shí)，水平鋼筋應(yīng)力水平較高，鋼筋受力顯著。在相同荷載作用下，第二類模型水平鋼筋應(yīng)力顯著高于第一類模型。

兩類模型鉸縫內(nèi)交叉鋼筋，在鉸縫傳力過程中應(yīng)力值處于很低水平，且隨著試驗(yàn)荷載增大僅略微增加，表明內(nèi)交叉鋼筋在鉸縫傳遞彎矩和剪力作用較小。

3.4 鉸縫處整體化層受力

試驗(yàn)荷載從0增大到最大剪力工況過程中，兩類模型整體化層均處于全截面受壓狀態(tài);當(dāng)試驗(yàn)荷載繼續(xù)增大時(shí)，第二類模型整體化層下緣將出現(xiàn)拉應(yīng)力作用。各個(gè)模型整體化層下緣從受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓡r(shí)的臨界荷載見表3。

表3 模型整體化層下緣受力轉(zhuǎn)化臨界荷載

從表3測試結(jié)果可知，鉸縫黏結(jié)有效模型整體化層受拉臨界荷載明顯高于鉸縫黏結(jié)無效模型，當(dāng)試驗(yàn)荷載超過模型整體化層受力臨界荷載后，整體化層下緣將產(chǎn)生拉應(yīng)力。實(shí)橋運(yùn)營過程中，活載反復(fù)作用下產(chǎn)生的剪力將導(dǎo)致鉸縫處整體化層混凝土的開裂、破壞，最終造成橋面鋪裝的縱向開裂破壞。

4 結(jié)論

1)對于鉸縫鑿毛黏結(jié)模型，整體化層越厚，鉸縫抗裂彎矩越大，在相同荷載作用下鉸縫下緣裂縫寬度越小;在正常使用荷載作用下，15 cm厚整體化層空心板梁鉸縫應(yīng)不會開裂。無整體化層模型抗裂彎矩遠(yuǎn)小于理論計(jì)算正常使用荷載值。

2)開裂前鉸縫處鑿毛黏結(jié)模型傳遞彎矩能力明顯優(yōu)于鉸縫處無黏結(jié)模型，傳遞彎矩的能力介于剛接和鉸接之間;開裂后兩類模型傳遞彎矩能力相當(dāng)，近乎于鉸接模式;在正常使用荷載作用下，鉸縫無黏結(jié)模型下緣變形明顯大于鉸縫鑿毛黏結(jié)模型。

3)鉸縫鑿毛黏結(jié)模型鉸縫開裂前水平筋應(yīng)力值較低，鉸縫開裂后水平筋受力顯著上升;鉸縫鑿毛黏結(jié)模型水平筋應(yīng)力水平低于鉸縫無黏結(jié)模型。

4)在正常使用荷載最大彎矩工況荷載作用下，兩類模型鉸縫內(nèi)交叉筋應(yīng)力值水平較低，隨著試驗(yàn)荷載增大僅略微增加，表明鉸縫內(nèi)交叉筋在鉸縫傳遞彎矩和剪力過程中作用較小。

5)在正常使用荷載作用下，兩類模型整體化層均處于全截面受壓狀態(tài);鉸縫黏結(jié)有效模型整體化層下緣受拉臨界荷載明顯高于鉸縫黏結(jié)無效模型;當(dāng)試驗(yàn)荷載超過模型整體化層下緣受拉臨界荷載后，整體化層下緣產(chǎn)生拉應(yīng)力。

6)鉸縫下緣變形、鉸縫內(nèi)水平筋應(yīng)力水平及整體化層下緣受拉臨界荷載均受鉸縫界面混凝土黏結(jié)好壞和橫向水平鋼筋連接狀態(tài)影響，實(shí)橋施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)鉸縫處預(yù)制梁腹板鑿毛和水平鋼筋質(zhì)量控制。

[1]中華人民共和國交通部.JTG D60—2004 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2004.

[2]中華人民共和國交通部.JTG D62—2004 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2004.

[3]中華人民共和國交通運(yùn)輸部.JTG/T J21—2011 公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[S].北京:人民交通出版社，2011.

[4]葛素娟，張高奎，劉若瀚.空心板設(shè)置橫隔板對企口縫混凝土力學(xué)性能的影響分析[J].鐵道建筑，2012(9):8-11.

[5]張軍偉.預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋橋面鋪裝層結(jié)構(gòu)性能分析[D].鄭州:鄭州大學(xué)，2007.

[6]林源鋒，張勇.典型病害空心板梁使用狀態(tài)評定及加固方案分析[J].鐵道建筑，2012(1):38-40.